每日最新頭條.有趣資訊

潘建偉:未來的量子互聯網可能和我們現在想象的完全不一樣

潘建偉。Credit:潘建偉

撰文 | Philip Ball

翻譯 | 李麗旻

校譯 | 段兆晨

自二十世紀初誕生以來,量子力學似乎一直是一個獨特的、不可直接感知的物理分支,它從最微觀的尺度解釋物質(例如原子、光子與亞原子粒子)的運行規律。然而在人類社會所有的工程實踐中,經典物理學規律都發揮著主導作用,其中所有物體都有其確定的位置、軌跡和屬性。

然而,在過去幾十年中,科學家們開始將量子規律應用於實用科技領域。1985年,物理學家理查德·費曼提出,使用量子規律的電腦可能具有超出現有傳統電腦的計算能力。幾乎同時,也有研究者表明,利用量子態編碼的資訊能夠以一種加密的方式從傳送者送達接收者,中途不能在不被察覺的情況下被攔截或讀取。現在,量子電腦和量子密碼學已經成為了現實世界中量子資訊科技的核心部分,可能很快就能應用到科學、工業和社會領域中。

隨著具有量子資訊處理能力的全球資訊互聯網,也就是量子互聯網的啟動,這些應用將越來越可能變為現實。在這一領域的研究中,中國位居前列,而中國科學技術大學教授潘建偉院士正是其中一位重要的科學引領者。潘建偉師從量子資訊領域的開拓者安東·塞林格(Anton Zeilinger),在維也納獲得博士學位,之後便將這一新興技術帶回了中國。2012年,潘建偉獲得國際量子通信獎;2017年,他入選《自然》年度“十大科學人物”;同年7月,潘建偉和他的團隊報導了從地面基地台到距離1400千米的衛星的“量子隱形傳態”。

《國家科學評論》(National Science Review, NSR)近日對潘建偉院士進行專訪,探討了他的研究成果以及量子資訊科技的發展前景。

量子互聯網是什麽?

“量子隱形傳態是從一個粒子向另一個粒子遠距離傳遞未知量子態的方式,這一過程不需要傳遞粒子本身。”

NSR:量子互聯網已經成為了一個流行的概念,它的含義是什麽?

潘:眾所周知,互聯網是用於傳遞、處理和儲存經典資訊的全球性系統。量子互聯網則可以對量子資訊進行同樣的傳遞、處理和存儲。量子互聯網首要的實際任務是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享(也就是說,量子資訊是完全防篡改的)。量子比特和量子糾纏(量子比特互相關聯的狀態)將是量子互聯網的基本資源。這一系統將實現眾多量子資訊任務,包括任意節點之間的量子隱形傳態、分布式量子計算和高精度量子測量。

NSR:量子互聯網將用到量子物理中的哪些原理?

建立量子資訊理論的基礎原理是量子疊加。量子疊加讓一個量子比特不僅能夠表現出0或1的傳統比特狀態,也能夠呈現出其他任意中間狀態。傳統意義上,一個比特要麽處於0要麽處於1的狀態,但在量子世界,量子比特可以處於0+1的疊加態,或者同時處於0和1的其他不同組合狀態。一個基本的原理是說,沒有一個單一的測量方法能夠揭示一個未知量子比特的所有資訊。這也就引出了量子不可克隆定理,這一定理表明一個未知的量子態不能夠被精確地複製。當一個量子系統由兩個或多個量子比特組成時,量子疊加就成為了量子糾纏,這使得態空間呈指數增加。不確定原理和不可克隆原理是量子通信、量子計算和量子互聯網的基石。

量子隱形傳態是從一個粒子向另一個粒子遠距離傳遞未知量子態的方式,這一過程不需要傳遞粒子本身。假設,有一對量子糾纏的粒子a和b,在A和B這兩個位置間進行資訊交換。接下來,有一個未知的量子比特c, 需要從A點傳遞到B點。要達到傳遞的目的,我們在點A對粒子a和c進行聯合測量,之後根據聯合測量的結果對粒子b進行相應操作。這樣一來,未知的資訊在粒子c處就會被“銷毀”,並“傳遞”到粒子b。然而,要讀取在B點接收到的資訊就需要首先獲取在A處粒子a和c測量後獲取的資訊。這一量子資訊只能通過傳統方式進行傳遞,速度不能超過光速。換句話說,儘管量子糾纏的坍縮,也就是將粒子c的狀態傳遞到粒子b上是立刻發生的,但量子隱形傳態不能以快過光速的速度傳遞資訊。

量子互聯網的組成要素

“我們相信,一個實用的量子電腦能夠在未來幾十年內建成。”

NSR:量子互聯網需要哪些主要技術?現有的光纖和衛星建設是否能夠支持這一技術?還需要哪些其他基礎建設?

潘:通常情況下,量子互聯網將由可以處理和儲存量子資訊的節點與傳遞量子資訊的信道組成。這些節點十分複雜,並且高度依賴於它們的實際應用場景。比如說,量子密鑰分發(QKD)是量子資訊的第一個實際應用。在中國,量子京滬乾線網絡已經建成並投入使用。一個QKD終端必須能夠產生、操縱和測量單個光子。

最好傳遞量子比特的粒子(形成“飛行比特”)就是光子。光子最大的優勢在於,現在的雷射通信已經相當成熟並已有很多光學基礎設施能夠投入使用——因此你說的對,現有的光纖信道確實是可以使用的。然而,要應用在量子互聯網上,還需要對這些線路進行巨大的調整,尤其是針對各個節點。其中衛星是極其難被調整的,我們還需要發射新的衛星 [調試後用於量子通信和處理]。也有部分案例表明,量子載荷可以加入到現有已規劃的衛星上,比如說GPS衛星或歐洲伽利略衛星等。

NSR:使用量子規則編碼資訊,主要是為了讓互聯網通信更加安全,還是有其他的好處?

潘:短期內的目標確實是讓通信變得更加安全。但量子資訊可以做更多事情。我們相信,一個實用的量子電腦能夠在未來幾十年內建成。通過量子互聯網,量子雲計算將成為未來的基本資源。

NSR:現在已經取得了哪些成果?未來還有哪些重要目標需要完成?

潘:我們已經建成了量子安全通信京滬乾線。作為世界上第一條長距離量子安全通信線路,這條線路已經在2017年9月投入使用。這條城際量子通信線路連接了北京、濟南、合肥和上海,長度超過2000千米,由32個中繼站組成。通過這一線路,數據能夠在保證資訊理論安全的情況下進行傳輸。更多的骨乾網絡和城域網正在計劃建設。我們還在2016年8月16日發射了第一顆量子科學衛星“墨子號”。我們已經在墨子號和多個地面站之間進行了量子密鑰分發,這些地面站位於中國的北京、德令哈、南山,以及奧地利的格拉茨和西班牙的特內裡費等。我們還同時借助京滬乾線和墨子號,實現了洲際量子密鑰分發。越來越多的衛星將發射並組成一個全球性網絡。

量子互聯網是個工程問題嗎?

“我們甚至對基本的量子疊加現象都沒有完整的認識。”

NSR:目前,我們是否已經對量子互聯網背後的原理有完整的認識?量子互聯網的建設還需要更多量子物理領域的新發現,還是已經只是一個工程問題?

潘:我們甚至對基本的量子疊加現象都沒有完整的認識。然而,這並不會阻礙人們將現有量子力學領域知識投入實際應用。量子密鑰分發網絡的建設已經接近於工程問題,但是儘管如此,在這個相對成熟的領域中也會不斷有新概念出現。至於未來的技術,比如量子計算等,我們仍然知之甚少。未來的量子互聯網可能和我們現在想象的完全不一樣。我認為這就是科學的魔力。

NSR:量子網絡和量子電腦之間存在關聯嗎,還是說它們是完全分開的?比如說,會有一個基於量子的通信系統讓分布式量子計算變成現實嗎?

潘:是的,會這樣。我相信量子電腦會成為量子互聯網的重要部分。量子電腦建造成本高昂,至少在早期,它將僅通過量子互聯網提供公共服務。在這個場景中,用戶能夠通過量子互聯網接入到量子電腦,通過傳遞量子比特上傳任務並下載結果。這也就是量子雲計算的概念。

量子互聯網的國際競賽

“我將不遺余力地推薦聰慧的年輕學者進入這一領域。”

NSR:國際範圍內對量子互聯網的投入情況如何?是否需要國家間的合作?國際上有哪些主要的研究中心?

潘:量子互聯網包含很多理論和科技。從短期目標來看建立一個保證全球安全通信的量子互聯網,我們需要考慮現有實際設備的缺陷問題。我們需要更好的協定將工程上的缺陷降至最低。我們需要更加廉價和優質的設備,提升現有性能,並能夠在極端環境裡使用。我們希望量子信道廣泛分布,而且易於使用,包括光纖和衛星兩者。我很難想象有任何國家在沒有國際合作的情況下能夠單獨接受這些挑戰。我們在中國有一個很棒的團隊,也有很多優秀的團隊分布在全世界。現在已經有很好的國際合作來攻克這些問題了。

NSR:中國是這一領域中的領軍者。從未來經濟、金融、商業等領域增長的角度看,現在中國政府是否將這一技術視作一項尤為重要的科技?

潘:是的,我們從中國政府獲得了很強勁的支持。就像我之前提到的,我們已經建設並投入使用了京滬乾線網絡,正在銀行、證券、保險等實用領域進行試用。超過150個用戶正在使用這一乾線進行安全資訊傳輸。也正如我之前說過的,我們已經發射了第一顆量子科學衛星“墨子號”。

NSR:您認為這一領域在20年以後會發展到什麽程度?

潘:未來,量子密鑰分發的成本將急劇降低。量子密鑰分發的設備將更加小型化,也將適合個人使用。量子密鑰分發將成為一個用於加密的通用技術,在日常生活中廣泛使用。量子電腦和量子模擬器將建立,並作為公共服務用於特定的任務,就像現在的超級電腦一樣。在那時,我認為能對巨大數字,比如2048比特進行因式分解的通用(多用途的)量子電腦可能仍不存在,但我們將知道這樣一台通用量子電腦會是什麽樣的,而且也會知道為了實現這一目標需要解決哪些問題。

NSR:有哪些人或者事引領你進入了這一研究領域?您會推薦年輕學者進入這一領域嗎?

潘:量子力學相關的基礎研究,以及可能出現的實際應用都是十分重要的課題。我進入這一領域的最初的動機在於,作為一名實驗科學家,我希望對量子力學規律做基礎檢驗,去理解量子力學如何及為什麽與經典物理不同。然而,可能的量子力學實際應用也深深吸引了我,這些應用將能夠極大地影響我們的生活。互聯網的發明將人類帶入資訊時代,量子互聯網則將提供另一個能夠真正改變世界的機會。它能夠帶來一場科技革命。我將不遺余力地推薦聰慧的年輕學者進入這一領域。

版權聲明

本文英文原文已在線發表於《國家科學評論》(National Science Review, NSR ),原標題為"Jian-Wei Pan: building the quantum internet",本文小標題為編者所加。NSR是科學出版社旗下期刊,與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。

更多內容:http://www.zhishifenzi.com

本頁刊發內容未經書面許可禁止轉載及使用

公眾號、報刊等轉載請聯繫授權

[email protected]

商務合作請聯繫

[email protected]

獲得更多的PTT最新消息
按讚加入粉絲團